汽车变速器原理及组成丰田自动变速器
第二章 自动变速器
第一节 概 述
在20世纪70年代中期，丰田汽车最常用的变速器还是手动变速器。从1977年起，随着丰田公司装有A40D自动变速器的“皇冠”轿车问世（见表2-1所示），装有自动变速器的轿车产量逐年增多。现在连四轮驱动的车辆（SUV）及部分轻型卡车也安装了自动变速器。
进入90年代，随着电子技术的发展，丰田公司重点发展电子控制型自动变速器（ECT）。ECT除换挡及锁止正时控制外，还具有故障诊断及故障防护功能。目前，绝大部分车型是发动机和ECT（有些车型还包括定速巡航控制系统）共用一个ECU控制。
丰田公司于1996年开发了A350E5挡自动变速器并装备在凌志GS300轿车上，1997年又开发了A650E 5挡自动变速器装备在凌志LS400、SC400、GS300／400等型号的轿车上。A350E自动变速器将在本章第十一节介绍，A650E将在本章第十二节介绍。
表2-1 丰田汽车自动变速器的发展历史
第二节 液力变矩器
一、概 述
液力变矩器的作用是传递来自发动机的扭矩，并且将扭矩成倍增大后传给变速器。它安装在变速器齿轮传动系的输入端，壳体用螺栓固定在发动机的飞轮上。
丰田公司近期生产的车用液力变矩器都有锁止离合器，其结构如图2-1所示。它是由泵轮、涡轮、定轮、单向离合器、锁止离合器等部件构成。变矩器内充满油泵提供的自动变速器油。变速器油被泵轮甩出，成为一股强大的油流，推动变矩器的涡轮转动。
图2-1 液力变矩结构图
泵轮与变矩器壳体连成一体，变矩器壳体用螺栓固定在飞轮上，因为泵轮与曲轴相连，它总是和曲轴一起转动。泵轮内部径向装有许多弯曲的叶片，叶片内缘装有让变速器油平滑流过的导环，其结构如图2-2所示。
图2-2 泵轮的结构与安装示意图
同泵轮一样，涡轮也装有许多叶片（如图2-3所示），但涡轮叶片的弯曲方向与泵轮叶片的弯曲方向相反。涡轮转轮装在变速器输入轴上，其叶片与泵轮叶片相对放置，中间留有一很小的间隙。
图2-3 涡轮的结构与安装示意图
涡轮转轮与变速器输入轴相连，在变速器换挡杆置于“D”、“2”、“L”或“R”挡位，当车辆行驶时，涡轮转轮就与变速器的输入轴一起转动；当车辆停驶时，涡轮转轮不能转动。在变速器换挡杆置于“P”或“N”挡位时，涡轮转轮与泵轮一起自由转动。
定轮位于泵轮与涡轮转轮之间，安装在定轮轴上，而定轮轴则经单向离合器固定在变速器壳体上。
定轮叶片截住离开涡轮转轮的变速器油液，改变其方向，使其冲击泵轮叶片背部，给泵轮
一个额外的“助推力”，如图2-4所示。
图2-4 定轮的结构及其功能
单向离合器使定轮以与发动机曲轴运转相同的方向转动。但是，如果定轮要以与发动机曲轴运转相反的方向转动时，单向离合器就将定轮锁止住，使其无法朝相反方向转动。所以定轮是转动还是被锁止，取决于变速器油液冲击定轮叶片的方向。
单向离合器的工作如图2-5所示。当外座圈按图中箭头A方向转动时，就会推动楔块顶部，由于I1小于I，楔块就会倾翻，使外座圈转动。但当外座圈要朝相反方向（B向）转动时，楔块就无法倾翻，因为I2大于I。这样，楔块起到楔子的作用，锁住外座圈，使其无法转动。另外，离合器中还安装了定位弹簧，使楔块总是朝着锁止外座圈的方向略为倾斜，以加强楔块的锁止功能。楔块型单向离合器也用于
控制行星齿轮系。
图2-5 单向离合器的运作图
二、液力变矩器的工作原理
1、动力传输原理
如图2-6所示，将电风扇A与电风扇B靠近相对放置，然后打开电风扇A，电风扇B即使未接电源也会按电风扇A转动的方向转动。这是因为电风扇A的转动会在两电风扇之间产生空气流动，由电风扇A产生的气流冲击电风扇B的叶片，使电风扇B随之转动。换句话说，电风扇A与B之间的动力传递是以空气为介质而实现的。
图2-6 空气传输动力示例
变矩器的工作原理也是如此，泵轮相当于电风扇A，涡轮转轮则相当于电风扇B。不同的是变矩器是以变速器油为介质，而不是以空气为介质。
如图2-7所示，当泵轮被发动机曲轴驱动时，泵轮中的变速器油液就会随同泵轮以相同的方向转动。当泵轮转速加快时，其离心力的作用使油液沿叶片表面及泵轮里面，离开泵心向外流动。当泵轮转速进一步提高时，液体就被甩出泵轮，冲击涡轮叶片，使涡轮开始按泵轮转动的方向转动。
图2-7 液力变矩器的动力传输过程
油液的能量在冲击涡轮叶片被耗散后，油液就沿着涡轮叶片向里流，在流至涡轮内部时，涡轮变曲的内表面使油液改变方向，流回泵轮。就这样，循环又将从头开始。
如上所述，扭矩的传递，是通过油液在泵轮和涡轮之间流动来实现的。
2、扭矩成倍放大的原理
前面用两台电风扇作例子，解释了液力变矩器中扭矩传递的原理。如果如图2-8所示，加上一条输送管道，气流将穿过电风扇B（被动电风扇）然后经管道，从电风扇A后面流回电风扇A（主动电风扇）。这就会加强电风扇A的叶片所吹动的气流，气流通过电风扇B后所剩下的能量，将增强电风扇A叶片的转动。
图2-8 空气传输动力扭矩放大示例
在变矩
器中，定轮和空气管道的作用是相似的。
3、定轮单向离合器的功能
在变矩器中，液体的实际流动是由涡流和环流叠加而成的。
所谓涡流就是泵轮泵出的液流通过涡轮和定轮，然后再回到泵轮的液流。车辆起动时，泵轮和涡轮的转速差越大，涡流就越大。
所谓环流就是变矩器内与变矩器转动方向相同的液流。当泵轮与涡轮转速差较小时，环流就大，车辆以恒速行驶时就是如此。环流随泵轮与涡轮转速差增大而成比例地变小。
从涡轮转轮进入定轮的液流方向取决于泵轮与涡轮的转速差。当这一转速差相当大时，涡流的速度就高。如图2-9所示，液体从涡轮转轮流至定轮的液体流动方向（图中虚线箭头）是阻止泵轮转动的。液体冲击定轮叶片的正面，使定轮与泵轮反向转动。但由于定轮被单向离合器锁住，并不转动，其叶片使液体流向改变（图中实线箭头），增强泵轮转动。
图2-9 液力变矩器（在涡流相当大时）扭矩放大的液流示意图
当涡轮的转速接近泵轮转速时，环流速度就升高，而涡流速度则降低。因而从涡轮转轮流至定轮的液流与泵轮的转动方向是一致的。
如图2-10所示，由于这时变速器油液冲击定轮叶片的背面，使定轮叶片对液流起阻挡作用。在这种情况下，单向离合器使定轮与泵轮同方向转动，从而使液流返回至泵轮。
图2-10 涡轮与泵轮转速接近时变矩器的液流示意图
如上所述，当涡轮转速达到泵轮转速的某一给定比例时，定轮就开始与泵轮同一方向转动。这就是变矩器的工作点，也称为耦合点。在达到耦合点以后，扭矩成倍放大效应不再发生，变矩器也仅起到普通液力变矩器的作用。
三、液力变矩器的性能
1、扭矩比
如前所述，变矩器扭矩的成倍放大与涡流成比例增大。即在涡轮转轮停转时，扭矩达到最大。
如图2-11所示，变矩器的工作分为两个区域：一个是变矩区，扭矩成倍放大；另一个是耦合区，只传递扭矩而无扭矩放大。耦合器工作点就是这两个区域的分界线。
图2-11 液力变矩器工作图
图中：
扭矩比（t）=
转速比（e）=
失速点是指涡轮停转，或转速比（e）为零时的定轮状态。变矩器的最大扭矩比就在失速点，通常在1.7～2.5之间。
在失速点（例如，当换挡杆置于“D”挡位而车辆被阻止前进时），泵轮与涡轮之间的转速差达到最大。
在以后要介绍的失速测试中，变矩器性能与发动机输出功率测试是在失速点将发动机节气门全开（满负荷）的情况下进行的。
当涡轮开始转动，转速比上升时，涡轮与泵轮之间的转速差开始下降。
当转速比达到某一规定值时，涡流变得最小，因而扭矩比几乎为1:1。由于从涡轮转轮流出的液流以较高速比冲击定轮叶片的背后，单向离合器就使定轮与泵轮同向转动。换言之，变矩器在耦合工作点时，开始起一台液力耦合器的作用，防止扭矩比降至1以下。
2、传动效率
变矩器的传动效率是指泵轮得到的能量传递至涡轮的效率，它与转速比（e）的关系如图2-12所示。
图2-12 液力变矩器传动效率与转速比的关系
这里所说的能量是指发动机本身的输出功率，与发动机的转速和扭矩成正比。
传动效率（n）= 100%
= 转速比（e）×100%
在失速点时，泵轮转动而涡轮停住不转，这时传递到涡轮的是最大扭矩，而传动效率却为零。
当涡轮开始转动时，随着其转速升高，涡轮输出功率增大，传动效率激增。在转速比达到耦合点前少许时，传动效率达到最大值，其后又开始下降，这是因为从涡轮转轮流出的部分油液开始流到定轮叶片背面。在达到耦合点时，来自涡轮转轮的液流，大部分冲击定轮叶片背面，定轮开始转动，使传动效率不致进一步下降，变矩器则开始如同一台液力耦合器一样发挥作用。
由于扭矩在液力耦合器中是以接近1:1传递的，在耦合区内的传动效率与转速比成正比例地直线上升。但由于液流的摩擦及撞击，使液流温度也上升，液流的循环又使部分动能被消耗。所以，变矩器的传动效率不可能达到100％，通常仅为95％左右。
四、液力变矩器的运作
液力变矩器在换挡杆位于“D”（前进挡）“2”、“L”（低速挡）或“R”（倒挡）挡位时工作情况，简述如下：
1、车辆停住，发动机怠速运转
发动机怠速运转时，自身产生的扭矩最小。若使用了制动器停车（手制动或脚制动），此时涡轮上的载荷最大，这是因为涡轮无法转动。但是，由于车辆停住时，涡轮与泵轮的转速比为零，而扭矩比却最大。所以涡轮总是随时准备以大于发动机所产生的扭矩转动。
2、车辆启动时
当制动器松开时，涡轮就能与变速器输入轴一起转动。当踩下加速踏板时，涡轮就以大于发动机所产生的扭矩转动，车辆开始前进。
3、车辆低速行驶时
随着车速的提高，涡轮的转速迅速接近泵轮的转速，从而使扭矩比也迅速接近1.0。当涡轮与泵轮的转速比接近某一值（耦合器工作点）时，定轮开始转动，扭矩成倍放大效应下降。换言之，变矩器开始只作为一台液力耦合器工作。所以，车速几乎与发动机转速成正比例地直线上升。
4、车辆以中、高速行驶时
这时，变矩器仅仅起到
一台液力耦合器的作用。涡轮以与泵轮几乎一样的转速转动。 值得注意的是，在车辆正常启动的过程中，变矩器在车辆起步2~3秒后达到耦合点。但是如果载荷太大，即使车辆中、高速行驶，变矩器也有可能在变矩区内工作。
五、锁止离合器
在耦合区（即没有扭矩成倍放大的情况），变矩器以接近1:1的比例将来自发动机的输入扭矩传递至变速器。但在泵轮与涡轮之间存在着至少4％～5％的转速差。所以，变矩器并不是将发动机的动力100％地传递至变速器，而是有一定的能量损失。
为了防止这种现象发生，也为了降低油耗，当车速在大于60km/h时，锁止离合器会通过机械机构将泵轮与涡轮相连接。这样，使发动机产生的动力几乎100％地传递至变速器。
如图2-13所示，锁止离合器装在涡轮转轮毂上，位于涡轮转轮前端。减振弹簧在离合器接合时，吸收扭力，防止产生振动。在变矩器壳体或变矩器锁止活塞上粘有一种摩擦材料，用以防止离合器接合时打滑。
图2-13 锁止离合器脱开时的液流示意图
锁止离合器的接合和分离由变矩器中的液压油的流向改变来决定，其工作过程如下：
1、离合器分离时
当车辆低速行驶时，由继动阀控制（阀的工作在本章第四节讲述）的油液流动方向如图2-13所示。加压油液流至锁止离合器的前端，锁止离合器前端及后端的压力就变得一样，锁止离合器处于脱开状态。这时由于变矩器内油液因涡流产生大量热量，流出变矩器的油液要经冷却器冷却后再送回变速器。
2、离合器接合时
当车辆以中高速（≥50km/h）行驶时，继动阀控制（阀的工作在本章第四节讲述）的油液流动方向如图2-14所示，加压油液流至锁止离合器的后端。这时，变矩器壳体受到锁止活塞挤压，从而使锁止离合器和前盖一起转动，即锁止离合器接合。由于这时泵轮与涡轮转轮转速差为零，没有涡流产生，因而油液在变矩器内产生的热量很小，流出变矩器的油液不需要冷却，直接流回变速器。
图2-14 锁止离合器接合时的液流图
锁止离合器分离或接合时的动力传输过程框图见图2-15。
分离
接合
图2-15 液力变矩器动力传输过程图
第三节 行星齿轮变速机构
利用行星齿轮系统进行传递动力和变速，具有体积小、结构简单、操纵容易和变速比大等优点，所以，行星齿轮系统在丰田自动变速器中得到广泛应用。
一、单排行星齿轮组变速原理
图2-16是单排行星齿轮组结构图。单排行星齿轮组由太阳轮、行星架和齿圈3个基本零件构成，另外还有安装在行星架上的行星小齿轮。工作时，
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